专利名称：应用在煤层群开采中的多重上保护层防突开采法的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤矿安全生产的方法，更具体地说是一种突出煤层高效开采的方法。
背景技术：
安徽淮南矿区煤层赋存深、煤层富含瓦斯、煤层透气性差、突出危险性严重。淮南矿区主要的突出煤层有C13、B11、B6和B4等煤层。在没有采取保护层开采的区域性防突措施之前，矿区在进行突出煤层采掘作业时，主要采取了煤层瓦斯预抽的区域性防突措施或采用局部防突措施，这些措施的实施取得了一些成绩，但在保障生产安全和生产效益方面，尚未达到理想的效果。煤层的突出危险性严重威胁着矿井生产的安全，影响采掘速度，影响生产效率和经济效益。随着采深的增加，煤层的煤与瓦斯突出问题将会日趋严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种防治煤层及瓦斯突出的多重上保护层开采法。本发明提供一种科学有效的保护层开采及保护效果考察的方法，针对试验区内煤层群覆存的实际情况，研究设计出多重开采上保护层使被保护层充分卸压的区域性防突措施，并可以通过采用多参数、连续、动态测定的方法，考察上保护层开采后被保护层的保护效果。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明方法的特点是在煤层群开采中，首先选择非突出煤层B8、B7为保护层进行开采，然后开采被保护的突出煤层B6，最后开采被保护的突出危险性更强的煤层B4，形成对突出煤层的多重保护；同时对被保护层瓦斯进行卸压强化抽放。
采用理论分析的方法，分析保护层开采的防突机理，结合对国内外保护层开采的经验进行分析，确定上保护层开采的有效间距，确定可以作为保护层开采的煤层。通过现场考察反映被保护层突出危险的几个参数在保护层开采前后的变化，以及是否超过临界值，综合分析其保护效果，并确定保护参数。
保护层开采后，其周围的岩层及煤层向采空区方向移动和变形，地应力发生重新分布。对开采层周围的煤层(包括被保护层)及岩层产生采动影响，形成一定的卸压范围。在卸压范围内，地应力降低，保护层与被保护层之间岩层卸压后发生垂直层面的膨胀变形，使得在平行层面方向上，部分煤岩层发生收缩变形，在煤层和岩层内，不但产生新裂隙，原有裂隙也张开扩大，导致原岩层裂隙沟通，使得煤层透气性增高数十到数百倍，为解吸瓦斯流动提供通道，从而提高瓦斯抽放的效果。
保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数发生显著变化，从发生变化的时间看，卸压作用是最先出现的，有些卸压过程甚至在保护层工作面前方10～20m处开始，一般在工作面后方，当膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生显著变化。因此，其次序可表示如下开采保护层→岩层移动→被保护层卸压(地应力降低、煤层膨胀变形)→透气性增加、瓦斯解吸→煤(岩)层瓦斯排放能力增高→瓦斯排放、钻孔瓦斯流量增大→瓦斯压力降低→瓦斯含量减少→煤机械强度提高→应力进一步降低保护层的保护作用是卸压和排放瓦斯综合作用的结果，被保护层卸压提高了瓦斯排放能力，瓦斯的不断涌出引起瓦斯压力下降和煤的力学强度增高。卸压作用是引起其它因素变化的基础，起决定性的作用。突出煤层受到一定的卸压作用，煤的结构、瓦斯动力参数便发生如上顺序的变化。突出煤层卸压、煤层的透气性增加、瓦斯排放，导致地应力下降、瓦斯压力下降、煤的强度增大，从而消除煤层的突出危险性。
而对于多重保护层开采而言，被保护层受到多重保护层开采带来的重复卸压，被保护层的卸压更加充分，对被保护层的保护效果更好。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、理论和现场试验考察发现，多重上保护层开采能够强化卸压效果，卸压深度和卸压范围都会加大，多重卸压后抽放瓦斯效果显著提高。本发明首先选择非突出煤层为保护层进行开采，然后开采被保护的突出煤层，借此再对突出危险性更强的煤层进行保护。对煤层群同组多层突出煤层的保护效果和保护范围进行了确定，其安全和经济效益都极为显著。本项目的研究成果，为中厚及厚突出危险煤层实施放顶煤开采，实现高产高效创造了条件。
2、本发明在采用保护层防治被保护层突出危险的同时，结合瓦斯抽放治理被保护层瓦斯，效果非常显著。煤层群多重开采卸压强化抽放瓦斯技术的实施，有效防止了煤与瓦斯突出灾害的发生，从根本上解决了瓦斯灾害的威胁，采掘速度提高2倍以上，瓦斯抽放成本也得到显著下降，实现了高瓦斯低透气性煤层安全高效集约化开采的目的。
3、瓦斯是一种优质纯净的燃料，热值与天然气相当，CH4对臭氧层的破坏比CO2高16倍，本发明通过卸压抽放瓦斯，可以对其进一步进行综合利用，以减少瓦斯对大气的污染，保护环境。
4、本发明方法工艺简单、存在明显的技术优势和推广应用前景。
图1为应用本发明，B8、B7b、B7a煤层开采后B6煤层沿倾斜上、下方的保护范围示意图。
图2为应用本发明，B8、B7b、B7a煤层开采后B6煤层沿走向的保护范围示意图。
图3为应用本发明，B6煤层开采后B4煤层走向保护范围示意图。
图4为应用本发明，B6开采后B4煤层倾向保护范围示意图。
具体实施例方式在煤层群开采中，首先选择非突出煤层B8、B7为保护层进行开采，然后开采被保护的突出煤层B6，最后开采被保护的突出危险性更强的煤层B4，形成对突出煤层的多重保护；在实施多重保护层开采的同时，结合对被保护层瓦斯进行卸压强化抽放，达到防治被保护层煤与瓦斯突出的目的，同时实现被保护层瓦斯的综合治理。在煤层群采用由上而下的开采方式，利用上部煤层开采的卸压作用提高下部煤层的透气性，并利用底板岩石巷道向煤层施工上向或下向穿层钻孔强化抽放下部煤层瓦斯。为下部煤层实现高效集约化开采创造条件。
保护层开采的合理保护参数主要包括保护层开采对被保护煤层走向和倾斜方向的保护卸压角，以及保护层回采工作面超前于被保护层采掘工作面的合理超前距。考察保护效果和确定保护参数，主要通过分析保护层开采前后反映煤层突出危险性的相关参数的变化情况，包括煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出流量及抽放量、煤层透气性系数、煤层相对变形等参数的变化情况。评价瓦斯释放效果的主要参数包括煤层瓦斯压力和瓦斯含量的残值、瓦斯释放程度情况，被保护煤层开采时的瓦斯涌出量。根据被保护层瓦斯涌出量预计，制订合理的瓦斯治理方案。
关于工作面下部岩层的应力分布特征通过对开采层下部岩层应力分布特征分析，通过模拟计算得出1、理论研究和数值分析结果采掘作业使得周围煤岩体中承受支承压力的作用。水平煤层或煤层走向方向底板中的应力分布呈非对称状变化。但如果考虑采空区由于矸石冒落，顶板下沉逐渐压实采空区，则采空区内也存在作用载荷，底板中应力的分布将又发生改变。模拟理想开采条件，即将岩体视为均质弹性体，对煤柱下方底板煤岩层中的应力进行的模拟计算结果在不考虑采空区压实的条件下，底板下160m范围内都属于卸压区，且在底板40～120m范围内，卸压角接近90°。而在考虑采空区压实条件下，底板下80m以远的范围都处于卸压区，在底板下0～30m范围内，卸压角接近90°。底板煤岩体卸压后的变形是个滞后过程(徐变过程)，在多重保护层开采的情况下，第一层煤开采后，底板中卸压和变形逐渐向深部传播，随着工作面推进，采空区顶板岩层冒落，逐步被压实；在已开采煤层下方再次开采煤层时，上部煤层采空区被压实的应力再次卸压，使得底板煤岩体中应力再次改变，即使采空区也随工作面的推进而逐步冒落，但由于上部采空区没有恢复到原岩应力状态，因此，应力恢复的速度放慢，卸压范围和卸压深度也逐步扩大。显然，多重开采保护层时，卸压范围和卸压深度将加大，同深度和同范围内的卸压程度也更充分，但卸压角不可能超过90°。
沿倾向方向，卸压区的边界并不在煤壁与采空区交界处，而是深入到开采煤层内5m左右，即底板岩体卸压区的范围大于采空区的范围。在开采煤层的卸压边界向底板等应力曲线1作切线，可得出上覆煤层开采以后，沿倾斜方向底板岩体中的卸压角。由此可以看出，卸压区的划分并不是过煤壁垂直于煤层的直线为准，而是深入开采煤层5m左右并且以一定角度倾向采空区的范围。
保护层的保护作用随层间距的增大而减小，达到某一临界距离时，保护作用已不明显，该临界距离称之为有效层间距。研究表明在采深小于550m，回采面长度小于120m条件下，保护层的有效保护层间垂距为急倾斜煤层上保护层不大于60m，缓倾斜和倾斜煤层上保护层不大于50m。
沿走向的保护卸压角，在保护层工作面的始采线与停采线处，由于地压的传递作用，使得被保护层的有效保护范围应小于保护层的开采范围，被保护层的始采线与停采线应以保护层始采线和停采线内退一定距离，根据试验表明，对上保护层为0.55～0.67倍层间垂距为宜，也即走向保护卸压角为56°～61°为宜，具体数据应实际考察。但被保护层进入到距保护层始采线与停采线40m以内时，保护层开采应超前3个月以上。
沿倾斜方向卸压保护角，卸压角大小与煤层倾角，开采深度，层间岩性等因素有关，采用多参数综合分析法实地考察确定。
合理超前距，为使被保护层不仅能充分卸压，并能充分排放或抽放瓦斯，研究认为保护层超前被保护层的距离不应小于2倍层间距，并不得小于40m。
关于保护层煤层回采工作面相对于被保护层掘进工作面合理超前距为了确定保护层B8煤层回采工作面相对于被保护层B6煤层掘进工作面合理超前距，通过测定B8煤层回采对B6煤层的5项参数，即煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形和瓦斯抽放量进行考察和综合分析。从考察结果可以看出，在B8煤层工作面后方40～120m处，是经过明显卸压以后的地带，此带内B6煤层膨胀变形略有降低，但仍然保持着显著卸压的状态；煤层透气性系数继续保持在22.2m2/Mpa2.d以上；钻孔瓦斯流量仍有0.05m3/min；煤层瓦斯压力继续下降到了0.2Mpa。
从以上分析可以看出，B8煤层开采后，在B8煤层工作面后方40m以远(即2倍层间距以上)，B6煤层瓦斯压力急剧下降到了0.6～0.2Mpa，低于了《防治煤与瓦斯突出细则》规定的0.74Mpa；B6煤层膨胀变形此时达到了最大值27.1×10-3，远远超过了6‰；煤层透气性能大大增加到了22.2m2/Mpa2.d，即是原始透气性系数的500倍；钻孔瓦斯流量最大达到了0.294m3/min，是卸压前钻孔瓦斯流量的30倍。上述综合参数明显地表明B8煤层回采工作面相对于B6煤层掘进工作面的合理超前距为不小于40m，在B8煤层工作面40m以后，位于保护范围内的B6煤层突出危险性已经消除，保护效果十分显著。
关于被保护层倾向的卸压角确定参见图1，图中A区域为采空区，为了确定保护层B8煤层回采工作面相对于被保护层B6煤层掘进工作面合理超前距，通过测定B8煤层回采对B6煤层的5项参数，即煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形和瓦斯抽放量进行考察和综合分析。从考察结果可以看出，当B8煤层工作面超前于B6煤层2倍层间距即40m以上时，B6煤层工作面下顺槽位置的瓦斯压力下降到了0.6～0.2Mpa，低于了《防治煤与瓦斯突出细则》规定的0.74Mpa；煤层膨胀变形此时达到了9.38×10-3，超过了6‰；煤层透气性能大大增加到了18.6m2/Mpa2.d，即是原始透气性系数的400倍以上；钻孔瓦斯流量最大达到了0.248m3/min，是卸压前钻孔瓦斯流量的25倍。这充分说明5606工作面下顺槽位置处于B8煤层采动卸压的有效保护范围内。由此计算得出B6煤层倾斜下方卸压角为78°，B6下顺槽水平内退16m。B7b煤层采后，在距5607b工作面下顺槽平面距离为11m的地方B6煤层突出危险性消除，此处B7b、B6煤层间距约为19m，计算得出B6煤层倾斜下方卸压角为77°。B7a煤层开采后，在距5607a工作面下顺槽平面距离为9m的地方B6煤层突出危险性消除，此处B7a、B6煤层间距约为13m，计算得出B6煤层倾斜下方卸压角为77°。
5608、5607工作面倾斜上方为采空区A，5606工作面倾斜上方在保护范围内。为了确定其倾斜上方的卸压角，根据B8、B7煤层倾角和B6煤层倾斜下方卸压角考察的结果从理论上推算B6煤层上方卸压角，即B6煤层倾斜下方实际考察得出的卸压保护角为78°，在图1中它对应的集中应力系数线为0.9，在倾斜上方煤壁边向集中应力系数0.9曲线作切线，得到B8、B7煤层开采以后B6煤层倾斜上方的卸压角为70°。
关于保护层B8煤层开采对被保护层B6煤层走向的卸压角确定如图2所示，图中A为采空区，5606工作面运输顺槽在B8煤层的保护区内掘进，但当掘进工作面进尺至距上保护层B8煤层5608工作面切眼平距为13m时(此时掘进头位置内错于B8煤层的5608工作面切眼)，掘进工作面的S及K1指标开始超限，并伴有动力现象发生，煤巷掘进工作面放炮后30min内吨煤瓦斯涌出指标V30也于该位置出现异常升高。此后直至该段顺槽掘完，掘进面突出预测指标都有不同程度的超限或异常。因此，根据以上多参数的考察结果，结合掘进面观察到的动力现象显现，可以综合分析判断出，以距B8工作面切眼平距13m位置为界，B6煤层朝向B8煤层切眼方向的范围是B8煤层开采后的非保护区域；B6煤层背向B8煤层切眼方向的范围是B8煤层开采后的走向受保护区域。B8煤层与B6煤层间距为19.77m计算得B8煤层开采后B6煤层走向卸压角为56.67°。
5606工作面切眼上山由运输顺槽向上连续掘进。当掘进工作面进尺至距上保护层B8煤层5608工作面切眼平距为12m时(此时掘进头位置内错于B8煤层的5608工作面切眼)，煤巷掘进工作面V30指标于该位置出现异常升高，并伴有动力现象发生。B8煤层与B6煤层间距仍为19.77m，计算得B8煤层开采后B6煤层走向卸压角为58.77°。
根据以上两处的计算结果，考虑一定的安全系数，最后取B8煤层开采后B6煤层走向卸压角为56°。
关于保护层B7a煤层开采对被保护层B6煤层走向的卸压角确定5606工作面切眼上山掘完后，切眼放平开始向56采区边界方向掘进。当掘进工作面进尺至距上保护层B7a煤层5607a工作面切眼平距为7m时(此时掘进头位置内错于B7煤层的5607a工作面切眼)，煤巷掘进工作面V30指标于该位置出现异常升高。此后直至该段顺槽掘完并外错于5607a工作面切眼，掘进面指标都有不同程度异常升高。因此，根据以上参数的考察结果，结合掘进面观察到的动力现象显现，可以综合分析判断出，以距B7a工作面切眼平距7m位置为界，B6煤层朝向B7a煤层切眼方向的范围是B7a煤层开采后的非保护区域；B6煤层背向B7a煤层切眼方向的范围是B7a煤层开采后的走向受保护区域。B7a煤层与B6煤层间距为12.37m计算得B7a煤层开采后B6煤层走向卸压角为60.50°。
关于保护层B6煤层开采对被保护煤层B4走向及倾向的卸压角确定在图3、图4中，A为采空区，根据B6煤层开采以后B4煤层被保护效果考察的结果，得出B4煤层沿走向的卸压保护角为60°，倾斜下方的卸压保护角为77°，倾斜上方的卸压保护角可取为70°。
权利要求
1.应用在煤层群开采中的多重上保护层防突开采法，其特征是在煤层群开采中，自上而下，首先选择位于上方的非突出煤层(B8层、B7层)为保护层进行开采，然后开采位于其下方的被保护的突出煤层(B6层)，最后开采位于底层的被保护的突出危险性更强的煤层(B4层)，形成对突出煤层的多重保护；同时对被保护层瓦斯进行卸压强化抽放。
2.根据权利要求1所述的多重上保护层防突开采法，其特征是所述保护层为一层以上。
3.根据权利要求1所述的多重上保护层防突开采法，其特征是利用底板岩石巷道向煤层施工上向或下向穿层钻孔强化抽放下部煤层瓦斯。
4.根据权利要求1所述的多重上保护层防突开采法，其特征是在采深小于550m，回采面长度小于120m条件下，保护层的有效保护层间垂距为急倾斜煤层上保护层不大于60m，缓倾斜和倾斜煤层上保护层不大于50m。
5.根据权利要求1所述的多重保护层防突开采法，其特征是被保护层的始采线与停采线较之上保护层始采线和停采线内退的距离为0.55～0.67倍层间垂距，走向保护卸压角为56°～61°；在被保护层进入到距保护层始采线与停采线40m以内时，保护层开采超前3个月以上。
6.根据权利要求1所述的多重保护层防突开采法，其特征是保护层超前于被保护层的超前距不小于2倍层间距，并不得小于40m。
全文摘要
应用在煤层群开采中的多重上保护层防突开采法，其特征是在煤层群开采中，自上而下，首先选择位于上方的非突出煤层为保护层进行开采，然后开采位于其下方的被保护的突出煤层，最后开采位于底层的被保护的突出危险性更强的煤层，形成对突出煤层的多重保护；同时对被保护层瓦斯进行卸压强化抽放。本发明方法的实施，有效防止了煤与瓦斯突出灾害的发生，从根本上解决了瓦斯灾害的威胁，采掘速度提高2倍以上，瓦斯抽放成本也得到显著下降，实现了高瓦斯低透气性煤层安全高效集约化开采的目的。
文档编号E21C41/28GK1542257SQ03113360
公开日2004年11月3日 申请日期2003年4月30日 优先权日2003年4月30日
发明者袁亮, 胡千庭, 李平, 孙森, 于尔海, 廖斌琛, 刘林, 叶发先, 夏士伯, 张安福, 孟贤正, 袁 亮 申请人:淮南矿业(集团)有限责任公司, 煤炭科学研究总院重庆分院